1 Map并发集合

1.1 ConcurrentMap

ConcurrentMap，它是一个接口，是一个能够支持并发访问的java.util.map集合；
在原有java.util.map接口基础上又新提供了4种方法，进一步扩展了原有Map的功能：

  1. public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {
  3.     //插入元素
  4.     V putIfAbsent(K key, V value);
  6.     //移除元素
  7.     boolean remove(Object key, Object value);
  9.     //替换元素
  10.     boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);
  12.     //替换元素
  13.     V replace(K key, V value);
  14. }

putIfAbsent：与原有put方法不同的是，putIfAbsent方法中如果插入的key相同，则不替换原有的value值；
remove：与原有remove方法不同的是，新remove方法中增加了对value的判断，如果要删除的key—value不能与Map中原有的key—value对应上，则不会删除该元素;
replace(K,V,V)：增加了对value值的判断，如果key—oldValue能与Map中原有的key—value对应上，才进行替换操作；
replace(K,V)：与上面的replace不同的是，此replace不会对Map中原有的key—value进行比较，如果key存在则直接替换；
其实，对于ConcurrentMap来说，我们更关注Map本身的操作，在并发情况下是如何实现数据安全的。在java.util.concurrent包中，ConcurrentMap的实现类主要以ConcurrentHashMap为主。接下来，我们具体来看下。

1.2 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是一个线程安全，并且是一个高效的HashMap。
但是，如果从线程安全的角度来说，HashTable已经是一个线程安全的HashMap，那推出ConcurrentHashMap的意义又是什么呢？
说起ConcurrentHashMap，就不得不先提及下HashMap在线程不安全的表现，以及HashTable的效率！

  • HashMap

关于HashMap的讲解，在此前的文章中已经说过了，本篇不在做过多的描述，有兴趣的朋友可以来这里看下—HashMap。
在此节中，我们主要来说下，在多线程情况下HashMap的表现？
HashMap中添加元素的源码：（基于JDK1.7.0_45）

  1. public V put(K key, V value) {
  2.     。。。忽略
  3.     addEntry(hash, key, value, i);
  4.     return null;
  5. }
  6. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  7.     。。。忽略
  8.     createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
  9. }
  10. //向链表头部插入元素：在数组的某一个角标下形成链表结构；
  11. void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  12.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  13.     table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
  14.     size++;
  15. }

在多线程情况下，同时A、B两个线程走到createEntry()方法中，并且这两个线程中插入的元素hash值相同，bucketIndex值也相同，那么无论A线程先执行，还是B线程先被执行，最终都会2个元素先后向链表的头部插入，导致互相覆盖，致使其中1个线程中的数据丢失。这样就造成了HashMap的线程不安全，数据的不一致；
更要命的是，HashMap在多线程情况下还会出现死循环的可能，造成CPU占用率升高，导致系统卡死。
举个简单的例子：

  1. public class ConcurrentHashMapTest {
  2.     public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
  4.         final HashMap<String,String> map = new HashMap<String,String>();
  6.         Thread t = new Thread(new Runnable(){
  7.             public  void run(){
  9.                 for(int x=0;x<10000;x++){
  10.                     Thread tt = new Thread(new Runnable(){
  11.                         public void run(){
  12.                             map.put(UUID.randomUUID().toString(),"");
  13.                         }
  14.                     });
  15.                     tt.start();
  16.                     System.out.println(tt.getName());
  17.                 }
  18.             }
  19.         });
  20.         t.start();
  21.         t.join();
  22.     }
  23. }

在上面的例子中，我们利用for循环，启动了10000个线程，每个线程都向共享变量中添加一个元素。
测试结果：通过使用JDK自带的jconsole工具，可以看到HashMap内部形成了死循环，并且主要集中在两处代码上。
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那么，是什么原因造成了死循环？
HashMap—put()494行：（基于JDK1.7.0_45）

  1. public V put(K key, V value) {
  2.     if (table == EMPTY_TABLE) {
  3.         inflateTable(threshold);
  4.     }
  5.     if (key == null)
  6.         return putForNullKey(value);
  7.     int hash = hash(key);
  8.     int i = indexFor(hash, table.length);
  9.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {------**for循环494行**
  10.         Object k;
  11.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
  12.             V oldValue = e.value;
  13.             e.value = value;
  14.             e.recordAccess(this);
  15.             return oldValue;
  16.         }
  17.     }
  18.     modCount++;
  19.     addEntry(hash, key, value, i);
  20.     return null;
  21. }

HashMap—transfer()601行：（基于JDK1.7.0_45）

  1. void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
  2.     int newCapacity = newTable.length;
  3.     for (Entry<K,V> e : table) {
  4.         while(null != e) {
  5.             Entry<K,V> next = e.next;
  6.             if (rehash) {
  7.                 e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
  8.             }
  9.             int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
  10.             e.next = newTable[i];
  11.             newTable[i] = e;
  12.             e = next;
  13.         }-----**while循环601行**
  14.     }
  15. }

通过查看代码，可以看出，死循环的产生：主要因为在遍历数组角标下的链表时，没有了为null的元素，单向链表变成了循环链表，头尾相连了。
以上两点，就是HashMap在多线程情况下的表现。

  • HashTable

说完了HashMap的线程不安全，接下来说下HashTable的效率！！
HashTable与HashMap的结构一致，都是哈希表实现。
与HashMap不同的是，在HashTable中，所有的方法都加上了synchronized锁，用锁来实现线程的安全性。由于synchronized锁加在了HashTable的每一个方法上，所以这个锁就是HashTable本身—this。那么，可想而知HashTable的效率是如何，安全是保证了，但是效率却损失了。
无论执行哪个方法，整个哈希表都会被锁住，只有其中一个线程执行完毕，释放所，下一个线程才会执行。无论你是调用get方法，还是put方法皆是如此；
HashTable部分源码：（基于JDK1.7.0_45）

  1. public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V> 
  2.     implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
  4.     public synchronized int size() {...}
  6.     public synchronized boolean isEmpty() {...}
  8.     public synchronized V get(Object key) {...}
  10.     public synchronized V put(K key, V value) {...}
  11. }

通过上述代码，可以清晰看出，在HashTable中的主要操作方法上都加了synchronized锁以来保证线程安全。
说完了HashMap和HashTable，下面我们就重点介绍下ConcurrentHashMap，看看ConcurrentHashMap是如何来解决上述的两个问题的！

1.3 ConcurrentHashMap结构

在说到ConcurrentHashMap源码之前，我们首先来了解下ConcurrentHashMap的整体结构，这样有利于我们快速理解源码。
不知道，大家还是否记得HashMap的整体结构呢？如果忘记的话，我们就在此进行回顾下！
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HashMap底层使用数组和链表，实现哈希表结构。插入的元素通过散列的形式分布到数组的各个角标下；当有重复的散列值时，便将新增的元素插入在链表头部，使其形成链表结构，依次向后排列。
下面是，ConcurrentHashMap的结构：
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与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap中多了一层数组结构，由Segment和HashEntry两个数组组成。其中Segment起到了加锁同步的作用，而HashEntry则起到了存储K.V键值对的作用。
在ConcurrentHashMap中，每一个ConcurrentHashMap都包含了一个Segment数组，在Segment数组中每一个Segment对象则又包含了一个HashEntry数组，而在HashEntry数组中，每一个HashEntry对象保存K-V数据的同时又形成了链表结构，此时与HashMap结构相同。
在多线程中，每一个Segment对象守护了一个HashEntry数组，当对ConcurrentHashMap中的元素修改时，在获取到对应的Segment数组角标后，都会对此Segment对象加锁，之后再去操作后面的HashEntry元素，这样每一个Segment对象下，都形成了一个小小的HashMap，在保证数据安全性的同时，又提高了同步的效率。只要不是操作同一个Segment对象的话，就不会出现线程等待的问题！

转自：https://www.jianshu.com/p/8f7b2cd34c47